廣靈縣曹川村護(hù)地壩防洪分析

景 虎

（大同市水文水資源勘測分局，山西 大同 037006）

廣靈縣曹川村護(hù)地壩防洪分析

景 虎

（大同市水文水資源勘測分局，山西 大同 037006）

對曹川村護(hù)地壩項(xiàng)目區(qū)采用瞬時單位線法、推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法，進(jìn)行了設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，經(jīng)綜合比較分析，采用瞬時單位線法計(jì)算成果，20年一遇洪峰流量為34.3 m3/s。同時進(jìn)行了行洪斷面水力分析和成果的綜合性分析檢查，成果符合流域產(chǎn)流匯流特征及規(guī)律。并對項(xiàng)目區(qū)不同方案行洪斷面水力進(jìn)行計(jì)算，便于設(shè)計(jì)單位根據(jù)具體情況進(jìn)行方案比選，實(shí)施不同的設(shè)計(jì)方案。

護(hù)地壩；防洪計(jì)算；行洪斷面水力分析；廣靈縣

1 流域概況

1.1 地理位置

曹川村護(hù)地壩項(xiàng)目區(qū)位于廣靈縣蕉山鄉(xiāng)曹川村東石牛溝峪口下游溝谷內(nèi)，面積0.8 km2。項(xiàng)目區(qū)上游石牛溝發(fā)源于河北省陽眷鎮(zhèn)豐富村，流域面積為2.9 km2，其中，流域中上游為黃土塬區(qū)，面積為1.9 km2，中下游為石灰?guī)r土石山區(qū)，面積為1.0 km2。

1.2 地形地貌

項(xiàng)目區(qū)流域北靠六棱山支脈，總體地勢北高南低，中上游黃土塬區(qū)，地形坡度比較平緩，特別是中游地帶，持有大片平緩傾斜的黃土平臺，溝谷不太發(fā)育；下游石灰?guī)r土石山區(qū)，地形坡度較陡，最高峰1 320 m，最低標(biāo)高1 094 m，石牛溝走向SN，坡降7.8‰。

項(xiàng)目區(qū)為剝蝕堆積黃土地貌，地形圖反映，項(xiàng)目區(qū)四周均有石灰?guī)r隆起，中間低凹，形成了以曹川、劉家窯、馬山村為中心的奧陶系石灰?guī)r凹地，凹地中沉積了巨厚的黃土，形成了半封閉的黃土盆地，受古地貌起伏的影響，溝谷切削和水流浸蝕，呈起伏的黃土丘陵地貌，形態(tài)以黃土梁峁為主。黃土溝谷多為沖溝或切溝，溝壁陡峻，溝深約20～30 m，斷面狹窄，溝底沉積有流水浸蝕堆積物。

1.3 水文氣象

石牛溝為壺流河支流，屬海河流域永定河水系，為季節(jié)性河流，無泉水出露，平時干枯無水，雨季有暴雨洪水宣泄。

區(qū)域氣候特征為黃土高原半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降雨極不均勻。地處縣城北部山區(qū)，地勢高，氣溫較縣城偏低，無霜期100 d左右。

1.4 土壤植被

區(qū)域土壤分布主要有石灰?guī)r、鈣質(zhì)石質(zhì)土，石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土，和黃土栗鈣土性土3類。受降水量小，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，溫差較大等氣候特征影響，土壤形成過程物理風(fēng)化強(qiáng)烈，化學(xué)風(fēng)化較弱，加之風(fēng)沙影響，土壤質(zhì)地粗糙，以砂壤、輕壤為主，結(jié)構(gòu)差，顏色淺，肥力低。該土壤季節(jié)淋溶作用較強(qiáng)，鈣化過程十分活躍，易在土壤中下部累積，形成鈣積層，厚度10～50 cm，普遍偏堿性，是本區(qū)分布較廣的主要耕種土壤。

2 防洪分析

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)確定

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)工程實(shí)際情況，按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 20210-2014）中關(guān)于鄉(xiāng)村的防洪標(biāo)準(zhǔn)，確定本規(guī)劃項(xiàng)目區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇（P=5%）。

2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，包括洪峰流量、洪水總量、洪水過程線各要素的計(jì)算。根據(jù)本項(xiàng)目工程防洪特點(diǎn)，只進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算。

本流域無水文站，采用無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。具體按《山西省水文計(jì)算手冊》（以下簡稱《手冊》）中的瞬時單位線法、推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法多種方法計(jì)算，經(jīng)綜合分析和比較驗(yàn)證，合理選取計(jì)算成果。

2.2.1 流域參數(shù)

流域特征參數(shù)由1/10 000地形圖量算，流域面積為2.9 km2，其中灰?guī)r土石山區(qū)面積1.0 km2，黃土塬區(qū)面積1.9 km2，流域主河道長3.93 km、流域平均坡度43.8‰。

2.2.2 設(shè)計(jì)暴雨

本流域位于水文分區(qū)的北區(qū)，查《手冊》附圖15至附圖24，可得該定點(diǎn)的點(diǎn)暴雨均值及Cv值。

根據(jù)不同歷時定點(diǎn)暴雨參數(shù)，按照P=5%的頻率，查出不同暴雨歷時的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)C、N值，查《手冊》附錄可得相應(yīng)頻率之Kp值，然后計(jì)算流域的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨，根據(jù)點(diǎn)面折減系數(shù)，計(jì)算出流域面暴雨。

2.2.3 設(shè)計(jì)洪水

流域產(chǎn)流計(jì)算。流域產(chǎn)流計(jì)算包括設(shè)計(jì)洪水凈雨深和凈雨過程計(jì)算兩部分。前者采用雙曲正切模型計(jì)算，后者按主雨日、非主雨日分別采用變損失率推理扣損法和定損失率推理扣損法計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得出的設(shè)計(jì)凈雨深見表1。

表1 廣靈縣曹川石牛溝流域5%頻率雨深計(jì)算結(jié)果表單位： mm

流域匯流計(jì)算。流域匯流計(jì)算任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算出的凈雨過程，用某種演算方法或模型，將其轉(zhuǎn)換成流域出口斷面的設(shè)計(jì)洪水過程線。本次流域匯流計(jì)算利用瞬時單位線法、推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法3種方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)對比確定計(jì)算成果。計(jì)算結(jié)果成果見表2。

表2 廣靈縣曹川石牛溝流域洪水計(jì)算成果表

可看出，3種方法計(jì)算結(jié)果相近，由于瞬時單位線法計(jì)算過程控制參數(shù)較多，計(jì)算結(jié)果更為精準(zhǔn)，擬采用瞬時單位線法計(jì)算成果，20年一遇洪峰流量為34.3 m3/s。

2.3 成果合理性分析

設(shè)計(jì)斷面洪水，是流域降水與水文下墊面產(chǎn)流、匯流機(jī)制綜合作用的結(jié)果。本流域?yàn)楦珊蛋敫珊档貐^(qū)，暴雨歷時短、強(qiáng)度大，產(chǎn)流特征為超滲產(chǎn)流；雖然不同的地表巖性對產(chǎn)流也有一定的影響，但較之暴雨的影響，其影響作用往往不夠明顯。匯流機(jī)制看，匯流過程的影響因素與流域面積、地形、地貌、土壤、植被等多種因素有關(guān)；諸多因素中，面積是影響匯流的主導(dǎo)因素。

本次分析利用廣靈縣已經(jīng)計(jì)算的曹川石牛溝流域、土巷口龍王溝流域、土巷口窨子溝流域、國家眷圣眷峪流域洪水計(jì)算成果，點(diǎn)繪P=5%洪峰模數(shù)與流域面積關(guān)系線圖。這幾個流域面積在0.3～7.1 km2之間，流域分別屬于石灰?guī)r土石山區(qū)、變質(zhì)巖土石山區(qū)，水文下墊面略有差異，因?qū)儆谕粋€氣候區(qū)，暴雨的差異較小?？梢钥闯?，洪峰模數(shù)與流域面積呈反比關(guān)系，即洪峰模數(shù)隨著面積的增大而減少。

這與上述流域匯流特點(diǎn)基本一致，反映了流域面積對洪水形成的調(diào)蓄作用。關(guān)系線相關(guān)系數(shù)也較高，達(dá)0.876。計(jì)算時采用了多種方法比較驗(yàn)證，經(jīng)綜合分析選取計(jì)算值。

2.4 項(xiàng)目區(qū)行洪斷面水力計(jì)算

行洪斷面水力計(jì)算，應(yīng)滿足通過設(shè)計(jì)洪峰流量、符合允許不沖流速及與土地整理要求相匹配等約束條件，得出行洪斷面的寬度與高度；并根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)單位要求，方便項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位選擇，計(jì)算時需提出多個行洪斷面方案。

基于打護(hù)地壩后，河道流態(tài)為明渠均勻流，擬選擇曼寧公式計(jì)算。由曼寧公式推算出有自變量河寬及相應(yīng)水深的流量計(jì)算公式，其中行洪斷面形狀暫按矩形設(shè)定，未考慮護(hù)地壩邊坡系數(shù)。其計(jì)算公式為：

式中：Q——設(shè)計(jì)洪峰流量（P=5%）

n——糙率，取值0.030；

I——項(xiàng)目區(qū)河道比降，取77‰；

H——行洪斷面水深；

M——行洪斷面河寬，取值范圍5～10 m。

上式中H不包括安全超高，在確定護(hù)地壩高度時，應(yīng)由水深加安全超高。計(jì)算結(jié)果見表3。

計(jì)算結(jié)果應(yīng)符合允許不沖流速的規(guī)定。關(guān)于河床允許不沖流速，目前尚無相關(guān)規(guī)范。由《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-99）防滲襯砌渠道允許不沖流速確定本項(xiàng)目區(qū)允許不沖流速為3.0～4.0 m/s；由表3可以看出，按照自然比降計(jì)算出的流速均超過了允許不沖流速，為了將行洪斷面流速限定在允許不沖流速范圍之內(nèi)，可采用改變河道比降的辦法解決，即通過工程措施，將自然比降改變?yōu)樵O(shè)計(jì)比降。

現(xiàn)按改變河道設(shè)計(jì)比降辦法，進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)不同方案行洪斷面計(jì)算。經(jīng)試算，設(shè)計(jì)比降為0.035～0.038設(shè)定，行洪斷面河寬為6～10 m時，不沖流速可控制在允許范圍之內(nèi)，因此本設(shè)計(jì)方案擬定設(shè)計(jì)比降為0.035～0.038，行洪斷面河寬為6～10 m，具體方案由設(shè)計(jì)單位根據(jù)具體情況進(jìn)行比選設(shè)定。

表3 曹川項(xiàng)目區(qū)護(hù)地壩不同方案行洪斷面計(jì)算成果

3 結(jié)論

本次分析采用瞬時單位線法、推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法多種方法，進(jìn)行了項(xiàng)目區(qū)石牛溝流域設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，經(jīng)綜合比較分析，采用瞬時單位線法計(jì)算成果，20年一遇洪峰流量為34.3 m3/s。

利用石牛溝流域與該縣其它流域洪水計(jì)算成果，進(jìn)行了成果的綜合性分析檢查，成果符合流域產(chǎn)流匯流特征及規(guī)律。

按河段自然比降對項(xiàng)目區(qū)行洪斷面水力進(jìn)行計(jì)算，斷面流速超過了允許不沖流速，為將行洪斷面流速限定在允許不沖流速范圍之內(nèi)，將河道設(shè)計(jì)比降控制在0.035～0.038內(nèi)，并對項(xiàng)目區(qū)不同方案行洪斷面水力進(jìn)行計(jì)算，便于設(shè)計(jì)單位根據(jù)具體情況進(jìn)行方案比選。

TV877

C

1004-7042（2017）10-0020-02

景虎（1970-），男，2015年畢業(yè)于河北工程大學(xué)水文水資源工程專業(yè)，工程師。

2017-08-06；

2017-09-17